10 ( 57) 【要約】
【課題】極薄で均一且つ再現性のある薄膜を安価に量産 でき、半導体と薄膜界面の界面準位を容易に低減でき、 薄膜に大きな電流を流して長時間使用しても、信頼性の 低下や特性変化が生じることのない光電変換素子を提供 する。
【解決手段】結晶半導体１２と、前記結晶半導体１２の 第１表面１４に接して設けられる第１水素化アモルファ ス半導体膜１６と、前記結晶半導体１２に前記第１水素 化アモルファス半導体膜１６を介して設けられる第１低 抵抗膜２０と、を備える。
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50 【 特 許 請 求 の 範 囲 】
【 請 求 項 １ 】 結 晶 半 導 体 と 、
前 記 結 晶 半 導 体 の 第 １ 表 面 に 接 し て 設 け ら れ る 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 、 前 記 結 晶 半 導 体 に 前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 を 介 し て 設 け ら れ る 第 １ 低 抵 抗 膜 と 、
を 備 え る こ と を 特 徴 と す る 光 電 変 換 素 子 。 【 請 求 項 ２ 】
請 求 項 １ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、
前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 前 記 第 １ 低 抵 抗 膜 と に 接 し 、 前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 前 記 第 １ 低 抵 抗 膜 と の 間 に 設 け ら れ る 第 １ 電 荷 保 持 層 を 備 え る こ と を 特 徴 と す る 光 電 変 換 素 子 。
【 請 求 項 ３ 】
請 求 項 １ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、
前 記 第 １ 表 面 と 対 向 す る 前 記 結 晶 半 導 体 の 第 ２ 表 面 に 接 し て 設 け ら れ る 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 、
前 記 結 晶 半 導 体 に 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 を 介 し て 設 け ら れ る 第 ２ 低 抵 抗 膜 と 、
を 備 え 、
前 記 第 ２ 低 抵 抗 膜 は 、 前 記 第 １ 低 抵 抗 膜 と 仕 事 関 数 の 値 が 異 な る こ と を 特 徴 と す る 光 電 変 換 素 子 。
【 請 求 項 ４ 】
請 求 項 ３ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、
前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 前 記 第 ２ 低 抵 抗 膜 と に 接 し 、 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 前 記 第 ２ 低 抵 抗 膜 と の 間 に 設 け ら れ る 第 ２ 電 荷 保 持 層 を 備 え る こ と を 特 徴 と す る 光 電 変 換 素 子 。
【 請 求 項 ５ 】
請 求 項 １ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、
前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 前 記 第 １ 低 抵 抗 膜 と に 接 し 、 前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 前 記 第 １ 低 抵 抗 膜 と の 間 に 設 け ら れ る 第 １ 電 荷 保 持 層 と 、
前 記 第 １ 表 面 と 対 向 す る 前 記 結 晶 半 導 体 の 第 ２ 表 面 に 接 し て 設 け ら れ る 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 、
前 記 結 晶 半 導 体 に 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 を 介 し て 設 け ら れ る 第 ２ 低 抵 抗 膜 と 、
前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 前 記 第 ２ 低 抵 抗 膜 と に 接 し 、 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 前 記 第 ２ 低 抵 抗 膜 と の 間 に 設 け ら れ る 第 ２ 電 荷 保 持 層 と 、
を 備 え 、
前 記 第 ２ 電 荷 保 持 層 の 電 荷 は 、 前 記 第 １ 電 荷 保 持 層 の 電 荷 と 符 号 が 異 な る こ と を 特 徴 と す る 光 電 変 換 素 子 。
【 請 求 項 ６ 】
請 求 項 １ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、
前 記 第 １ 表 面 に 接 し 、 前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 並 置 さ れ て 設 け ら れ る 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 、
前 記 第 １ 低 抵 抗 膜 と 分 離 さ れ 、 前 記 結 晶 半 導 体 に 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 を 介 し て 設 け ら れ る 第 ２ 低 抵 抗 膜 と 、
を 備 え 、
前 記 第 ２ 低 抵 抗 膜 は 、 前 記 第 １ 低 抵 抗 膜 と 仕 事 関 数 の 値 が 異 な る こ と を 特 徴 と す る 光 電 変 換 素 子 。
【 請 求 項 ７ 】
10
20
30
40
50 前 記 第 １ 表 面 に 接 し 、 前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 並 置 さ れ て 設 け ら れ る 第
２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 、
前 記 第 １ 低 抵 抗 膜 と 分 離 さ れ 、 前 記 結 晶 半 導 体 に 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 を 介 し て 設 け ら れ る 第 ２ 低 抵 抗 膜 と 、
前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 前 記 第 ２ 低 抵 抗 膜 と に 接 し 、 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 前 記 第 ２ 低 抵 抗 膜 と の 間 に 設 け ら れ る 第 ２ 電 荷 保 持 層 と 、
を 備 え 、
前 記 第 ２ 電 荷 保 持 層 の 電 荷 は 、 前 記 第 １ 電 荷 保 持 層 の 電 荷 と 符 号 が 異 な る こ と を 特 徴 と す る 光 電 変 換 素 子 。
【 請 求 項 ８ 】
請 求 項 ６ 又 は ７ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、
前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と は 、 同 一 材 料 で あ る こ と を 特 徴 と す る 光 電 変 換 素 子 。
【 請 求 項 ９ 】
請 求 項 １ ∼ ８ の い ず れ か １ 項 に 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、
前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 に は 、 凹 部 が 形 成 さ れ 、 前 記 第 １ 低 抵 抗 膜 の 少 な く と も 一 部 は 、 前 記 凹 部 の 位 置 に 対 応 さ せ て 設 け ら れ る こ と を 特 徴 と す る 光 電 変 換 素 子 。 【 請 求 項 １ ０ 】
請 求 項 ３ ∼ ９ の い ず れ か １ 項 に 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、
前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 に は 、 凹 部 が 形 成 さ れ 、 前 記 第 ２ 低 抵 抗 膜 の 少 な く と も 一 部 は 、 前 記 凹 部 の 位 置 に 対 応 さ せ て 設 け ら れ る こ と を 特 徴 と す る 光 電 変 換 素 子 。 【 請 求 項 １ １ 】
請 求 項 １ 、 ３ 、 ４ 、 ６ の い ず れ か １ 項 に 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、
前 記 第 １ 低 抵 抗 膜 と 並 置 さ れ 、 前 記 結 晶 半 導 体 に 前 記 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 を 介 し て 設 け ら れ る 前 記 第 １ 電 荷 保 持 層 を 備 え る こ と を 特 徴 と す る 光 電 変 換 素 子 。
【 請 求 項 １ ２ 】
請 求 項 ３ 又 は ６ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、
前 記 第 ２ 低 抵 抗 膜 と 並 置 さ れ 、 前 記 結 晶 半 導 体 に 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 を 介 し て 設 け ら れ る 第 ２ 電 荷 保 持 層 を 備 え る こ と を 特 徴 と す る 光 電 変 換 素 子 。
【 請 求 項 １ ３ 】
請 求 項 １ 又 は ２ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、
前 記 第 １ 低 抵 抗 膜 は 、 光 電 変 換 さ れ る 波 長 の 光 を 透 過 す る 材 料 又 は 膜 厚 か ら な る こ と を 特 徴 と す る 光 電 変 換 素 子 。
【 請 求 項 １ ４ 】
請 求 項 ３ 又 は ５ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、
前 記 第 １ 低 抵 抗 膜 又 は 前 記 第 ２ 低 抵 抗 膜 の 少 な く と も 一 方 は 、 光 電 変 換 さ れ る 波 長 の 光 を 透 過 す る 材 料 又 は 膜 厚 か ら な る こ と を 特 徴 と す る 光 電 変 換 素 子 。
【 請 求 項 １ ５ 】
請 求 項 １ 、 ２ 、 ６ ∼ ８ の い ず れ か １ 項 に 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、
前 記 結 晶 半 導 体 は 、 前 記 第 １ 表 面 と 対 向 す る 前 記 結 晶 半 導 体 の 第 ２ 表 面 に パ ッ シ ベ ー シ ョ ン 層 を 備 え る こ と を 特 徴 と す る 光 電 変 換 素 子 。
【 請 求 項 １ ６ 】
請 求 項 １ ５ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、
前 記 パ ッ シ ベ ー シ ョ ン 層 は 、 光 電 変 換 さ れ る 波 長 の 光 に 対 す る 反 射 防 止 機 能 を 兼 ね 備 え 、 又 は 、 反 射 防 止 膜 を 備 え る こ と を 特 徴 と す る 光 電 変 換 素 子 。
【 請 求 項 １ ７ 】
請 求 項 １ 又 は ２ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、
前 記 結 晶 半 導 体 は 、 前 記 第 １ 表 面 、 又 は 、 前 記 第 １ 表 面 と 対 向 す る 前 記 結 晶 半 導 体 の 第 ２ 表 面 に オ ー ミ ッ ク 接 触 を 有 す る 電 極 を 備 え る こ と を 特 徴 と す る 光 電 変 換 素 子 。
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50 【 技 術 分 野 】
【 ０ ０ ０ １ 】
本 発 明 は 、 フ ォ ト レ ジ ス タ 、 フ ォ ト ダ イ オ ー ド 、 フ ォ ト ト ラ ン ジ ス タ 、 太 陽 電 池 な ど の 、 光 を 電 気 に 変 換 す る 光 電 変 換 素 子 に 関 す る 。
【 背 景 技 術 】 【 ０ ０ ０ ２ 】
光 電 変 換 素 子 に は 、 照 射 光 の 強 度 、 波 長 な ど が 変 化 し た 結 果 、 素 子 抵 抗 が 変 化 す る フ ォ ト レ ジ ス タ 、 素 子 電 流 又 は 電 圧 が 変 化 す る フ ォ ト ダ イ オ ー ド 、 素 子 電 流 が フ ォ ト ダ イ オ ー ド よ り も 増 幅 さ れ て 変 化 す る フ ォ ト ト ラ ン ジ ス タ 、 出 力 電 流 、 電 圧 、 電 力 が 変 化 す る 太 陽 電 池 な ど が あ る 。 フ ォ ト ダ イ オ ー ド 、 太 陽 電 池 を 構 成 す る 電 子 構 造 に は 、 ｐ ｎ 接 合 、 Ｍ Ｉ Ｓ 構 造 が 知 ら れ て い る 。
【 ０ ０ ０ ３ 】
ｐ ｎ 接 合 は 、 さ ら に 、 ｐ 形 半 導 体 と ｎ 形 半 導 体 と が 同 じ 半 導 体 材 料 で 構 成 さ れ る ホ モ 接 合 、 ｐ 形 半 導 体 と ｎ 形 半 導 体 と が 異 な る 半 導 体 材 料 で 構 成 さ れ る ヘ テ ロ 接 合 が あ る 。 ヘ テ ロ 接 合 は 、 短 波 長 感 度 の 良 い フ ォ ト ダ イ オ ー ド や 高 効 率 の 太 陽 電 池 を 化 合 物 半 導 体 で 実 現 す る 手 段 と し て 使 わ れ る 場 合 が 多 い 。
【 ０ ０ ０ ４ 】
一 方 、 フ ォ ト ダ イ オ ー ド や フ ォ ト ト ラ ン ジ ス タ を シ リ コ ン 半 導 体 で 実 現 す る 場 合 、 ホ モ 接 合 を 用 い る こ と が 多 い が 、 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン と 結 晶 シ リ コ ン の ｐ ｎ 接 合 に よ る ヘ テ ロ 接 合 太 陽 電 池 が 高 効 率 を 目 指 し て 開 発 さ れ て い る 。 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン と 結 晶 シ リ コ ン の ヘ テ ロ 接 合 に お い て 、 ｐ 形 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン と ｎ 形 結 晶 シ リ コ ン と の 間 に 、 価 電 子 制 御 不 純 物 を 意 図 的 に 添 加 し な い " ｉ " 層 と 呼 ば れ る ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン を 介 在 さ せ る こ と に よ り 、 開 放 電 圧 Ｖ ｏ ｃ を 改 善 す る 技 術 が 開 発 さ れ て い る （ 非 特 許 文 献 １ ） 。
【 先 行 技 術 文 献 】 【 非 特 許 文 献 】 【 ０ ０ ０ ５ 】
【 非 特 許 文 献 １ 】 M. T a g u c h i , M. T a n a k a , T . Ma t s u y a ma , T . Ma t s u o k a , S . T s u d a , S . N a k a n o , Y . K is h i a n d Y . K u wa n o , T e c h n i c a l Dig e s t o f t h e I n t e r n a t io n a l P V S E C- 5 , C-I C-I C-I a - 1 , K y o t o , Ja p a n , 1 9 9 0 , p .6 8 9
【 非 特 許 文 献 ２ 】 R . B. Go d f r e y a n d M. A. Gr e e n , I E E E T r a n s a c t io n s o n E le c t r o n De v ic e s , V o l . E D- 2 7 , No . 4 , Ap r il, 1 9 8 0 , p .7 3 7
【 発 明 の 概 要 】
【 発 明 が 解 決 し よ う と す る 課 題 】 【 ０ ０ ０ ６ 】
し か し な が ら 、 ヘ テ ロ 接 合 太 陽 電 池 は 、 ｐ 形 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン 層 で の 短 波 長 域 の 光 吸 収 に よ る 損 失 、 ｐ 形 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン 層 の 上 に 設 け ら れ る 透 明 導 電 膜 の 長 波 長 域 の 光 吸 収 に よ る 損 失 が あ る 。 ｐ 形 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン 層 に よ る 短 波 長 光 損 失 を 改 善 す る た め 、 ワ イ ド ギ ャ ッ プ を 有 す る ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン カ ー バ イ ド 、 酸 素 添 加 し た ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン を 用 い る こ と が 試 行 さ れ て い る 。
【 ０ ０ ０ ７ 】
一 方 、 Ｍ Ｉ Ｓ 形 の 光 電 変 換 素 子 は 、 金 属 ／ 絶 縁 膜 ／ 半 導 体 か ら 構 成 さ れ て い る 。 Ｍ Ｉ Ｓ 形 に は 、 構 造 及 び 製 造 工 程 が 簡 単 で あ る と い う 特 徴 が あ る が 、 絶 縁 膜 と し て は Ｓ ｉ Ｏ
２ が
使 わ れ て お り 、 １ ． ６ ｎ ｍ 以 下 の 極 薄 い 膜 厚 に 制 御 し な け れ ば な ら な い （ 非 特 許 文 献 ２ ） 。 そ の た め 、 低 価 格 量 産 技 術 の 観 点 か ら は 、 問 題 が あ る 。 長 時 間 に わ た り 大 き な 電 流 （ 太 陽 電 池 と し て は 最 大 ４ ０ ｍ Ａ ／ ｃ ｍ
２
） を 流 す こ と は 、 絶 縁 膜 と し て の 信 頼 性 の 観 点 か ら 望 ま し く な い 。 ま た 、 表 面 再 結 合 に 敏 感 で あ り 、 Ｓ ｉ Ｏ
２ 界 面 の 界 面 準 位 の 低 減 が 変 換 効
率 を 改 善 す る た め に 不 可 欠 で あ る 。 長 時 間 大 き い 電 流 を 流 す と 、 界 面 準 位 が 増 加 し 、 変 換 効 率 が 時 間 と と も に 減 少 し て し ま う 。
【 ０ ０ ０ ８ 】
10
20
30
40
50 の あ る 薄 膜 を 安 価 に 量 産 で き 、 半 導 体 と 絶 縁 薄 膜 界 面 の 界 面 準 位 を 容 易 に 低 減 で き 、 絶 縁
薄 膜 に 大 き な 電 流 を 流 し て 長 時 間 使 用 し て も 、 信 頼 性 の 低 下 や 特 性 変 化 が 生 じ る こ と の な い 光 電 変 換 素 子 を 提 供 す る こ と を 目 的 と す る 。
【 課 題 を 解 決 す る た め の 手 段 】 【 ０ ０ ０ ９ 】
請 求 項 １ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 は 、 結 晶 半 導 体 と 、 前 記 結 晶 半 導 体 の 第 １ 表 面 に 接 し て 設 け ら れ る 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 、 前 記 結 晶 半 導 体 に 前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 を 介 し て 設 け ら れ る 第 １ 低 抵 抗 膜 と 、 を 備 え る こ と を 特 徴 と す る 。
【 ０ ０ １ ０ 】
請 求 項 ２ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 は 、 請 求 項 １ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 前 記 第 １ 低 抵 抗 膜 と に 接 し 、 前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 前 記 第 １ 低 抵 抗 膜 と の 間 に 設 け ら れ る 第 １ 電 荷 保 持 層 を 備 え る こ と を 特 徴 と す る 。 【 ０ ０ １ １ 】
請 求 項 ３ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 は 、 請 求 項 １ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 前 記 第 １ 表 面 と 対 向 す る 前 記 結 晶 半 導 体 の 第 ２ 表 面 に 接 し て 設 け ら れ る 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 、 前 記 結 晶 半 導 体 に 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 を 介 し て 設 け ら れ る 第 ２ 低 抵 抗 膜 と 、 を 備 え 、 前 記 第 ２ 低 抵 抗 膜 は 、 前 記 第 １ 抵 抗 膜 と 仕 事 関 数 の 値 が 異 な る こ と を 特 徴 と す る 。
【 ０ ０ １ ２ 】
請 求 項 ４ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 は 、 請 求 項 ３ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 前 記 第 ２ 低 抵 抗 膜 と に 接 し 、 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 前 記 第 ２ 低 抵 抗 膜 と の 間 に 設 け ら れ る 第 ２ 電 荷 保 持 層 を 備 え る こ と を 特 徴 と す る 。 【 ０ ０ １ ３ 】
請 求 項 ５ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 は 、 請 求 項 １ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 前 記 第 １ 低 抵 抗 膜 と に 接 し 、 前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 前 記 第 １ 低 抵 抗 膜 と の 間 に 設 け ら れ る 第 １ 電 荷 保 持 層 と 、 前 記 第 １ 表 面 と 対 向 す る 前 記 結 晶 半 導 体 の 第 ２ 表 面 に 接 し て 設 け ら れ る 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 、 前 記 結 晶 半 導 体 に 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 を 介 し て 設 け ら れ る 第 ２ 低 抵 抗 膜 と 、 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 前 記 第 ２ 低 抵 抗 膜 と に 接 し 、 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 前 記 第 ２ 低 抵 抗 膜 と の 間 に 設 け ら れ る 第 ２ 電 荷 保 持 層 と 、 を 備 え 、 前 記 第 ２ 電 荷 保 持 層 の 電 荷 は 、 前 記 第 １ 電 荷 保 持 層 の 電 荷 と 符 号 が 異 な る こ と を 特 徴 と す る 。
【 ０ ０ １ ４ 】
請 求 項 ６ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 は 、 請 求 項 １ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 前 記 第 １ 表 面 に 接 し 、 前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 並 置 さ れ て 設 け ら れ る 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 、 前 記 第 １ 低 抵 抗 膜 と 分 離 さ れ 、 前 記 結 晶 半 導 体 に 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 を 介 し て 設 け ら れ る 第 ２ 低 抵 抗 膜 と 、 を 備 え 、 前 記 第 ２ 低 抵 抗 膜 は 、 前 記 第 １ 低 抵 抗 膜 と 仕 事 関 数 の 値 が 異 な る こ と を 特 徴 と す る 。
【 ０ ０ １ ５ 】
請 求 項 ７ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 は 、 請 求 項 ２ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 前 記 第 １ 表 面 に 接 し 、 前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 並 置 さ れ て 設 け ら れ る 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 、 前 記 第 １ 低 抵 抗 膜 と 分 離 さ れ 、 前 記 結 晶 半 導 体 に 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 を 介 し て 設 け ら れ る 第 ２ 低 抵 抗 膜 と 、 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 前 記 第 ２ 低 抵 抗 膜 と に 接 し 、 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 前 記 第 ２ 低 抵 抗 膜 と の 間 に 設 け ら れ る 第 ２ 電 荷 保 持 層 と 、 を 備 え 、 前 記 第 ２ 電 荷 保 持 層 の 電 荷 は 、 前 記 第 １ 電 荷 保 持 層 の 電 荷 と 符 号 が 異 な る こ と を 特 徴 と す る 。
【 ０ ０ １ ６ 】
10
20
30
40
50 【 ０ ０ １ ７ 】
請 求 項 ９ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 は 、 請 求 項 １ ∼ ８ の い ず れ か １ 項 に 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 に は 、 凹 部 が 形 成 さ れ 、 前 記 第 １ 低 抵 抗 膜 の 少 な く と も 一 部 は 、 前 記 凹 部 の 位 置 に 対 応 さ せ て 設 け ら れ る こ と を 特 徴 と す る 。
【 ０ ０ １ ８ 】
請 求 項 １ ０ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 は 、 請 求 項 ３ ∼ ９ の い ず れ か １ 項 に 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 に は 、 凹 部 が 形 成 さ れ 、 前 記 第 ２ 低 抵 抗 膜 の 少 な く と も 一 部 は 、 前 記 凹 部 の 位 置 に 対 応 さ せ て 設 け ら れ る こ と を 特 徴 と す る 。 【 ０ ０ １ ９ 】
請 求 項 １ １ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 は 、 請 求 項 １ 、 ３ 、 ４ 、 ６ の い ず れ か １ 項 に 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 前 記 第 １ 低 抵 抗 膜 と 並 置 さ れ 、 前 記 結 晶 半 導 体 に 前 記 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 を 介 し て 設 け ら れ る 前 記 第 １ 電 荷 保 持 層 を 備 え る こ と を 特 徴 と す る 。
【 ０ ０ ２ ０ 】
請 求 項 １ ２ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 は 、 請 求 項 ３ 又 は ６ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 前 記 第 ２ 低 抵 抗 膜 と 並 置 さ れ 、 前 記 結 晶 半 導 体 に 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 を 介 し て 設 け ら れ る 第 ２ 電 荷 保 持 層 を 備 え る こ と を 特 徴 と す る 。
【 ０ ０ ２ １ 】
請 求 項 １ ３ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 は 、 請 求 項 １ 又 は ２ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 前 記 第 １ 低 抵 抗 膜 は 、 光 電 変 換 さ れ る 波 長 の 光 を 透 過 す る 材 料 又 は 膜 厚 か ら な る こ と を 特 徴 と す る 。
【 ０ ０ ２ ２ 】
請 求 項 １ ４ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 は 、 請 求 項 ３ 又 は ５ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 前 記 第 １ 低 抵 抗 膜 又 は 前 記 第 ２ 低 抵 抗 膜 の 少 な く と も 一 方 は 、 光 電 変 換 さ れ る 波 長 の 光 を 透 過 す る 材 料 又 は 膜 厚 か ら な る こ と を 特 徴 と す る 。
【 ０ ０ ２ ３ 】
請 求 項 １ ５ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 は 、 請 求 項 １ 、 ２ 、 ６ ∼ ８ の い ず れ か １ 項 に 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 前 記 結 晶 半 導 体 は 、 前 記 第 １ 表 面 と 対 向 す る 前 記 結 晶 半 導 体 の 第 ２ 表 面 に パ ッ シ ベ ー シ ョ ン 層 を 備 え る こ と を 特 徴 と す る 。
【 ０ ０ ２ ４ 】
請 求 項 １ ６ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 は 、 請 求 項 １ ５ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 前 記 パ ッ シ ベ ー シ ョ ン 層 は 、 光 電 変 換 さ れ る 波 長 の 光 に 対 す る 反 射 防 止 機 能 を 兼 ね 備 え 、 又 は 、 反 射 防 止 膜 を 備 え る こ と を 特 徴 と す る 。
【 ０ ０ ２ ５ 】
請 求 項 １ ７ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 は 、 請 求 項 １ 又 は ２ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 前 記 結 晶 半 導 体 は 、 前 記 第 １ 表 面 、 又 は 、 前 記 第 １ 表 面 と 対 向 す る 前 記 結 晶 半 導 体 の 第 ２ 表 面 に オ ー ミ ッ ク 接 触 を 有 す る 電 極 を 備 え る こ と を 特 徴 と す る 。
【 発 明 の 効 果 】 【 ０ ０ ２ ６ 】
本 発 明 に 係 る 光 電 変 換 素 子 に よ れ ば 、 極 薄 で 均 一 且 つ 再 現 性 の あ る 薄 膜 を 安 価 に 量 産 す る こ と が で き る 。 ま た 、 半 導 体 と 絶 縁 薄 膜 界 面 の 界 面 準 位 を 容 易 に 低 減 で き 、 絶 縁 薄 膜 に 大 き な 電 流 を 流 し て 長 時 間 使 用 し て も 、 信 頼 性 の 低 下 や 特 性 変 化 が 生 じ る こ と が な い 光 電 変 換 素 子 を 得 る こ と が で き る 。
【 図 面 の 簡 単 な 説 明 】 【 ０ ０ ２ ７ 】
【 図 １ 】 第 １ 実 施 形 態 の 光 電 変 換 素 子 の 断 面 図 で あ る 。
【 図 ２ 】 図 １ に 示 す 光 電 変 換 素 子 の 出 力 電 流 電 圧 特 性 で あ る 。 【 図 ３ 】 第 ２ 実 施 形 態 の 光 電 変 換 素 子 の 断 面 図 で あ る 。
【 図 ４ 】 第 ３ 実 施 形 態 の 光 電 変 換 素 子 の 断 面 図 で あ る 。
10
20
30
40
50 【 図 ７ 】 第 ５ 実 施 形 態 の 光 電 変 換 素 子 の 断 面 図 で あ る 。
【 図 ８ 】 第 ６ 実 施 形 態 の 光 電 変 換 素 子 の 断 面 図 で あ る 。
【 図 ９ 】 第 ６ 実 施 形 態 の 変 形 例 で あ る 光 電 変 換 素 子 の 断 面 図 で あ る 。 【 図 １ ０ 】 第 ７ 実 施 形 態 の 光 電 変 換 素 子 の 断 面 図 で あ る 。
【 図 １ １ 】 第 ８ 実 施 形 態 の 光 電 変 換 素 子 の 断 面 図 で あ る 。 【 図 １ ２ 】 第 ９ 実 施 形 態 の 光 電 変 換 素 子 の 断 面 図 で あ る 。 【 図 １ ３ 】 第 １ ０ 実 施 形 態 の 光 電 変 換 素 子 の 断 面 図 で あ る 。 【 図 １ ４ 】 第 １ １ 実 施 形 態 の 光 電 変 換 素 子 の 断 面 図 で あ る 。
【 図 １ ５ 】 第 １ １ 実 施 形 態 の 変 形 例 で あ る 光 電 変 換 素 子 の 断 面 図 で あ る 。 【 発 明 を 実 施 す る た め の 形 態 】
【 ０ ０ ２ ８ 】
本 発 明 に 係 る 光 電 変 換 素 子 を 構 成 す る 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 及 び 電 荷 保 持 層 は 、 プ ラ ズ マ Ｃ Ｖ Ｄ 、 触 媒 Ｃ Ｖ Ｄ 、 Ａ Ｌ Ｄ （ a t o mic la y e r d e p o s i t io n ） な ど で 製 造 可 能 で あ り 、 低 温 プ ロ セ ス で 量 産 化 可 能 な 技 術 が 適 用 で き る 。 ま た 、 従 来 の Ｍ Ｉ Ｓ 形 で 使 わ れ て い た Ｓ ｉ Ｏ
２ に 比 べ て 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 は 、 数 倍 厚 く て 良 い た め 、 制 御 し や す
い 。 太 陽 電 池 の 動 作 レ ベ ル の 電 流 を 流 し て も 劣 化 が 少 な い 。 ま た 、 従 来 の Ｍ Ｉ Ｓ 形 で 使 わ れ て い た Ｓ ｉ Ｏ
２ に 比 べ て 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 は 、 結 晶 半 導 体 の 表 面 の パ ッ シ
ベ ー シ ョ ン 効 果 に 優 れ て い る た め 、 高 変 換 効 率 が 得 ら れ や す い 。 【 ０ ０ ２ ９ 】
＜ 第 １ 実 施 形 態 ＞
図 １ は 、 第 １ 実 施 形 態 の 光 電 変 換 素 子 １ ０ の 断 面 図 で あ る 。 光 電 変 換 素 子 １ ０ は 、 結 晶 半 導 体 １ ２ と 、 結 晶 半 導 体 １ ２ の 第 １ 表 面 １ ４ に 一 方 の 表 面 が 接 し て 設 け ら れ る 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 １ ６ と 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 １ ６ の 他 方 の 表 面 １ ８ に 接 し て 設 け ら れ る 複 数 の 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ と 、 第 １ 表 面 １ ４ と 対 向 す る 結 晶 半 導 体 １ ２ の 第 ２ 表 面 ２ ２ に 接 し て 設 け ら れ る 電 極 ２ ４ と を 備 え る 。 電 極 ２ ４ は 、 光 電 変 換 素 子 １ ０ か ら 直 流 電 流 又 は 電 圧 を 取 り 出 す た め 、 結 晶 半 導 体 １ ２ と オ ー ミ ッ ク 接 触 を 有 す る 。 参 照 符 号 Ｈ は 、 結 晶 半 導 体 １ ２ の 厚 さ を 表 す 。
【 ０ ０ ３ ０ 】
光 電 変 換 素 子 １ ０ に は 、 第 １ 表 面 １ ４ 側 か ら 光 ２ ６ が 入 射 さ れ る 。 表 面 １ ８ に 平 面 配 置 さ れ る 複 数 の 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ は 、 光 電 変 換 対 象 の 波 長 帯 の 光 ２ ６ に 対 し て 不 透 明 で あ る 場 合 、 光 ２ ６ を 第 １ 表 面 １ ４ に 導 入 す る た め の 間 隙 （ g a p ） ２ ８ が 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ 間 に 形 成 さ れ る 。 複 数 の 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ は 、 任 意 の 個 所 で 相 互 に 接 続 さ れ る 。 間 隙 ２ ８ の 幅 は 、 結 晶 半 導 体 １ ２ 内 で 光 発 生 し た 少 数 キ ャ リ ア の 拡 散 長 よ り 小 さ く 設 定 さ れ る と 、 少 数 キ ャ リ ア 収 集 効 率 が 良 い 。
【 ０ ０ ３ １ 】
第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ と し て は 、 結 晶 半 導 体 １ ２ の フ ェ ル ミ レ ベ ル よ り も 、 結 晶 半 導 体 １ ２ の 禁 制 帯 の 中 央 （ mid - g a p ） の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル 側 に 仕 事 関 数 の 値 （ 真 空 の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル か ら 測 定 し た 仕 事 関 数 の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル ） を 有 す る 材 料 を 選 択 す る 。 結 晶 半 導 体 １ ２ が ｐ 形 の 場 合 に は 、 そ の 伝 導 帯 に 近 い か 、 さ ら に そ れ を 超 え て 絶 対 値 の 小 さ い 仕 事 関 数 の 値 を 有 す る 材 料 を 選 択 す る と 効 果 が あ る 。 結 晶 半 導 体 １ ２ が ｎ 形 の 場 合 は 、 そ の 価 電 子 帯 に 近 い か 、 さ ら に そ れ を 超 え て 絶 対 値 の 大 き い 仕 事 関 数 の 値 を 有 す る 材 料 を 選 択 す る と 、 第 １ 表 面 １ ４ を 強 く 反 転 （ h e a v y in v e r s io n ） さ せ る の に 効 果 が あ る 。
【 ０ ０ ３ ２ 】
な お 、 第 １ 表 面 １ ４ に 接 し て い な い 表 面 １ ８ に は 、 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ の 少 な く と も 一 部 の 位 置 に 対 応 し て 、 膜 厚 の 薄 い 部 分 と な る 凹 部 （ 例 え ば 、 図 ９ に 示 す 凹 部 １ ５ ） を 形 成 し て も よ い 。 こ の 場 合 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 １ ６ に は 、 前 記 凹 部 に よ り 膜 厚 の 薄 い 部 分 と 厚 い 部 分 と が 形 成 さ れ る こ と に な る 。 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ の 少 な く と も 一 部 を 前 記 凹 部 に 対 応 し て 設 け る こ と に よ り 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 １ ６ の 抵 抗 を 小 さ く し て 、 電 流 を 効 率 的 に 引 き 出 す こ と が で き る 。
10
20
30
40
50 図 ２ は 、 光 電 変 換 素 子 １ ０ の 出 力 特 性 を 示 す 。 こ の 場 合 、 結 晶 半 導 体 １ ２ は 、 結 晶 シ リ
コ ン 基 板 ： ｐ 形 、 １ ０ Ω ｃ ｍ 、 （ １ ０ ０ ） 面 、 厚 さ （ Ｈ ） 約 ３ ５ ０ μ ｍ で あ り 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 １ ６ は 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン 膜 ： 厚 さ １ １ ｎ ｍ 、 製 膜 温 度 約 １ ０ ０ ℃ 、 価 電 子 制 御 不 純 物 の 添 加 無 し で 製 膜 し た も の で あ り 、 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ は 、 ア ル ミ ニ ウ ム 膜 ： 厚 さ ７ ０ ｎ ｍ 、 直 径 ３ ０ ０ μ ｍ で あ る 。
【 ０ ０ ３ ４ 】
通 常 、 ｐ 形 結 晶 シ リ コ ン 基 板 の 表 面 に 直 接 ア ル ミ ニ ウ ム 膜 を 設 け て 熱 処 理 を 行 う と 、 整 流 性 が な く オ ー ミ ッ ク 接 触 に 近 い 特 性 と な る 。 光 電 変 換 素 子 １ ０ は 、 ｐ 形 結 晶 シ リ コ ン 基 板 と ア ル ミ ニ ウ ム 膜 と の 間 に 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン 膜 を 介 在 さ せ る こ と に よ り 、 結 晶 シ リ コ ン 基 板 電 圧 − ア ル ミ ニ ウ ム 膜 間 電 圧 １ Ｖ で 暗 状 態 で の 逆 方 向 電 流 が １ ｎ Ａ オ ー ダ ー 、 順 方 向 電 流 が １ ０ μ Ａ オ ー ダ ー 流 れ る 整 流 特 性 を 示 す 。
【 ０ ０ ３ ５ 】
図 ２ は 、 マ イ ク ロ プ ロ ー ブ 装 置 の 照 明 に 使 用 さ れ て い る 白 色 発 光 ダ イ オ ー ド 光 に よ り 照 射 さ れ た 時 の 出 力 特 性 の グ ラ フ で あ り 、 グ ラ フ の 第 １ 象 限 が 光 電 変 換 素 子 １ ０ か ら 電 力 出 力 が 得 ら れ る 動 作 領 域 で あ る 。 第 ４ 象 限 及 び 第 １ 象 限 に 示 さ れ る 光 電 流 は 、 ３ ０ ０ μ ｍ Φ の ア ル ミ ニ ウ ム 電 極 の 外 周 の 少 数 キ ャ リ ア 拡 散 長 の 距 離 で 光 発 生 す る 少 数 キ ャ リ ア （ こ の 場 合 は 電 子 ） の 中 で 、 ア ル ミ ニ ウ ム 膜 の 下 の 空 乏 な い し 反 転 接 合 に 到 達 し た 電 子 が 原 因 の 電 流 で あ る 。
【 ０ ０ ３ ６ 】
こ の 電 流 密 度 は 、 太 陽 電 池 の 通 常 の 電 流 密 度 よ り １ 桁 以 上 小 さ い 。 そ の 理 由 は 、 光 源 と し て 太 陽 光 よ り 桁 違 い に 小 さ い 照 度 の 発 光 ダ イ オ ー ド を 使 用 し て い る た め で あ る 。 な お 、 こ の 実 施 形 態 で は 、 裏 面 に 設 け た オ ー ミ ッ ク 接 触 な ど の 直 列 抵 抗 の た め 、 １ 桁 以 上 大 き な 電 流 で の 特 性 は 、 こ の 直 列 抵 抗 が 障 害 と な る の で 、 小 さ い 照 度 の 光 源 を 使 用 し て い る 。 【 ０ ０ ３ ７ 】
前 記 光 電 流 が 、 ア ル ミ ニ ウ ム 膜 （ 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ ） の 下 の 空 乏 な い し 反 転 接 合 に 流 れ 込 ん だ と き 、 外 部 に 電 流 を 取 り 出 さ な い 状 態 で 発 生 し た 電 圧 が 光 電 変 換 素 子 １ ０ の 開 放 電 圧 Ｖ ｏ ｃ で あ る 。 図 ２ に 示 す 実 施 形 態 で は 、 Ｖ ｏ ｃ ＝ ０ ． ２ ２ Ｖ で あ る 。
【 ０ ０ ３ ８ 】
＜ 第 ２ 実 施 形 態 ＞
図 ３ は 、 第 ２ 実 施 形 態 の 光 電 変 換 素 子 ３ ０ の 断 面 図 で あ る 。 第 １ 実 施 形 態 の 光 電 変 換 素 子 １ ０ と 同 一 の 構 成 要 素 に は 、 同 一 の 参 照 符 号 を 付 し 、 そ の 説 明 を 省 略 す る 。
【 ０ ０ ３ ９ 】
結 晶 半 導 体 １ ２ の 第 ２ 表 面 ２ ２ に は 、 複 数 の 電 極 ３ ２ が 平 面 配 置 さ れ る 。 複 数 の 電 極 ３ ２ 間 の 第 ２ 表 面 ２ ２ に は 、 光 発 生 少 数 キ ャ リ ア の 再 結 合 損 失 を 少 な く し て 、 効 率 を 良 く す る た め 、 パ ッ シ ベ ー シ ョ ン （ p a s s iv a t i o n ） 膜 ３ ４ が 設 け ら れ る 。 光 電 変 換 素 子 ３ ０ に は 、 パ ッ シ ベ ー シ ョ ン 膜 ３ ４ を 介 し て 、 第 ２ 表 面 ２ ２ 側 か ら 光 ２ ６ を 入 射 さ せ る こ と が で き る 。 こ の 場 合 、 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ は 、 透 明 で あ る 必 要 が な く 、 そ の 材 料 選 択 に 自 由 度 を 与 え る 。 な お 、 パ ッ シ ベ ー シ ョ ン 膜 ３ ４ が 設 け ら れ る 第 ２ 表 面 ２ ２ に 反 射 防 止 膜 （ 図 示 せ ず ） を 設 け る こ と に よ り 、 光 ２ ６ の 結 晶 半 導 体 １ ２ の 領 域 へ の 取 り 込 み 分 を 改 善 し 、 光 電 変 換 集 光 効 率 を さ ら に 向 上 さ せ る こ と が で き る 。
【 ０ ０ ４ ０ 】
第 １ 実 施 形 態 、 第 ２ 実 施 形 態 を 含 む 本 実 施 形 態 に 係 る 発 明 で は 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 １ ６ 及 び 後 述 の 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 ７ ２ （ 図 ８ ） を 含 む 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 は 、 結 晶 半 導 体 １ ２ の 表 面 と の 界 面 を 水 素 結 合 に よ り パ ッ シ ベ ー シ ョ ン す る こ と が で き る 。 こ の た め 、 界 面 準 位 密 度 を 低 く 抑 え る こ と が で き る 。 特 に 、 結 晶 半 導 体 １ ２ が シ リ コ ン 、 シ リ コ ン ・ ゲ ル マ ニ ウ ム 、 ゲ ル マ ニ ウ ム の 場 合 、 効 果 が 大 き い 。 【 ０ ０ ４ １ 】
水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 が 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン （ ａ Ｓ ｉ ： Ｈ ） 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン カ ー バ イ ド （ ａ Ｓ ｉ
ｘ Ｃｙ ： Ｈ ） 、 酸 素 を 含 む 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ
10
20
30
40
50 ｅ
ｙ ： Ｈ ） な ど の 場 合 は 、 １ ０ ０ ℃ 前 後 の 低 温 か ら プ ラ ズ マ Ｃ Ｖ Ｄ 、 光 Ｃ Ｖ Ｄ 、 ｃ ａ ｔ Ｃ
Ｖ Ｄ （ 触 媒 Ｃ Ｖ Ｄ ） に よ っ て 再 現 性 の あ る 製 膜 が 可 能 で 、 量 産 化 も 可 能 で あ る 。 【 ０ ０ ４ ２ 】
水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 を 結 晶 半 導 体 １ ２ の 表 面 に 堆 積 す る 前 に 、 プ ラ ズ マ 、 光 励 起 、 触 媒 （ 加 熱 タ ン グ ス テ ン 、 加 熱 パ ラ ジ ウ ム な ど ） 励 起 に よ り ラ デ ィ カ ル 水 素 を 形 成 し 、 結 晶 表 面 を ク リ ー ニ ン グ 、 水 素 化 す る こ と が で き る 。 ま た 、 結 晶 半 導 体 １ ２ の 表 面 に 付 着 し た 不 純 物 の う ち 、 水 素 化 し て 気 化 で き る も の は 除 去 す る こ と も で き る 。
【 ０ ０ ４ ３ 】
結 晶 半 導 体 １ ２ が シ リ コ ン 、 シ リ コ ン ・ ゲ ル マ ニ ウ ム 、 ゲ ル マ ニ ウ ム の 場 合 は 、 Ｓ Ｆ６
な ど を 同 様 に 励 起 し て 、 結 晶 半 導 体 １ ２ の 表 面 を エ ッ チ ン グ し て 清 浄 化 す る こ と も で き る 。 こ れ ら の 状 態 で 真 空 を 破 ら ず に 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 の 堆 積 チ ャ ン バ ー に 搬 送 す る こ と に よ り 、 さ ら に 界 面 準 位 の 少 な い 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 結 晶 半 導 体 １ ２ と の 界 面 を 得 る こ と が で き る 。
【 ０ ０ ４ ４ 】
水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 は 、 Ｍ Ｉ Ｓ 形 光 電 変 換 素 子 に 使 用 さ れ た 超 薄 絶 縁 膜 と 比 べ て 、 １ ０ ｍ Ａ ／ ｃ ｍ
２
オ ー ダ ー の 電 流 を 流 し て も 劣 化 が 少 な い 。 抵 抗 率 の 調 整 に 価 電 子 制 御 不 純 物 （ 例 え ば 、 硼 素 、 燐 な ど ） を 添 加 す る こ と が で き る が 、 膜 中 の 電 子 的 欠 陥 の 増 加 を 伴 う の で 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン 膜 の 場 合 に は 、 （ 硼 素 ／ シ リ コ ン ） ＜ １ ０
− ４
、 （ 燐 ／ シ リ コ ン ） ＜ １ ０
− ５
が 望 ま し い 。 【 ０ ０ ４ ５ 】
第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ 及 び 後 述 の 第 ２ 低 抵 抗 膜 ７ ６ を 含 む 低 抵 抗 膜 は 、 抵 抗 率 が 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 の 抵 抗 率 よ り 小 さ い こ と が 必 要 で 、 さ ら に 、 該 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 に 上 記 価 電 子 制 御 不 純 物 を 上 記 数 値 よ り 多 く 添 加 し た 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 の 抵 抗 率 の 下 限 １ ０ ０ Ω ｃ ｍ よ り 小 さ い １ ０ Ω ｃ ｍ 以 下 で あ る こ と が 望 ま し い 。 低 抵 抗 膜 の 抵 抗 が デ バ イ ス 設 計 の 観 点 か ら こ れ で も 大 き す ぎ る 場 合 は 、 さ ら に 低 抵 抗 金 属 を 被 服 す る 。 こ の 設 計 思 想 は 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ 及 び 後 述 の 第 ２ 低 抵 抗 膜 ７ ６ に 適 用 す る 。
【 ０ ０ ４ ６ 】
低 抵 抗 膜 は 、 結 晶 半 導 体 １ ２ の フ ェ ル ミ レ ベ ル よ り も 、 結 晶 半 導 体 １ ２ の 禁 制 帯 の 中 央 （ mid g a p ） の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル 側 に 仕 事 関 数 の 値 （ 真 空 の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル か ら 測 定 し た 仕 事 関 数 の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル ） を 有 す る 材 料 で あ れ ば 、 光 電 変 換 素 子 １ ０ 、 ３ ０ を 含 む 本 実 施 形 態 に 係 る 発 明 の 光 電 変 換 素 子 か ら 光 起 電 圧 を 得 ら れ る 。 す な わ ち 、 結 晶 半 導 体 １ ２ が ｐ 形 の 場 合 、 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ の 仕 事 関 数 の 値 は 、 結 晶 半 導 体 １ ２ の フ ェ ル ミ レ ベ ル よ り 電 導 帯 側 に あ る こ と が 望 ま し い 。 ま た 、 結 晶 半 導 体 １ ２ が ｎ 形 の 場 合 、 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ の フ ェ ル ミ レ ベ ル は 、 結 晶 半 導 体 １ ２ の フ ェ ル ミ レ ベ ル よ り 価 電 子 帯 側 に あ る こ と が 望 ま し い 。 こ の 組 み 合 わ せ に よ り 、 第 １ 表 面 １ ４ に は 、 エ ネ ル ギ ー バ ン ド の 曲 り が 生 じ 、 空 乏 層 （ d e p le t i o n la y e r ） 又 は 反 転 層 （ in v e r s i o n la y e r ） が 形 成 さ れ る 。
【 ０ ０ ４ ７ 】
第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ と し て 、 例 え ば 、 ｐ 形 結 晶 シ リ コ ン 基 板 に 対 し て は 、 ア ル ミ ニ ウ ム 、 マ グ ネ シ ウ ム （ 化 学 的 に 安 定 な 材 料 に よ る コ ー テ ィ ン グ が 必 要 ） 、 ｎ 形 酸 化 亜 鉛 （ Ｚ ｎ Ｏ ） な ど 、 結 晶 シ リ コ ン 基 板 の 伝 導 帯 に 近 い か 、 さ ら に そ れ を 超 え て 絶 対 値 の 小 さ い 仕 事 関 数 の 値 を 有 す る 材 料 を 選 択 し 、 ｎ 形 結 晶 シ リ コ ン 基 板 に 対 し て は 、 ニ ッ ケ ル 、 白 金 な ど 、 結 晶 シ リ コ ン 基 板 の 荷 電 子 帯 に 近 い か 、 さ ら に そ れ を 超 え て 絶 対 値 の 大 き い 仕 事 関 数 の 値 を 有 す る 材 料 を 選 択 す る こ と に よ り 、 変 換 効 率 を 上 げ る こ と が で き る 。 な お 、 酸 化 亜 鉛 は 、 酸 素 空 孔 （ o x y g e n v a c a n c y ） を 設 け る こ と に よ り ｎ 形 と な る 。
【 ０ ０ ４ ８ 】
10
20
30
40
50 、 少 数 キ ャ リ ア の 拡 散 長 よ り 小 さ い こ と が 高 効 率 に は 必 要 で あ る 。
【 ０ ０ ４ ９ 】
光 電 変 換 素 子 １ ０ 、 ３ ０ か ら 直 流 電 圧 、 直 流 電 流 を 取 り 出 す た め に は 、 結 晶 半 導 体 １ ２ へ オ ー ミ ッ ク 接 触 を 有 す る 電 極 ２ ４ 、 ３ ２ を 第 １ 表 面 １ ４ 又 は 第 ２ 表 面 ２ ２ に 設 け る 。 交 流 電 圧 、 交 流 電 流 、 蓄 積 電 荷 変 化 を 取 り 出 す た め に は 、 必 ず し も 結 晶 半 導 体 １ ２ へ オ ー ミ ッ ク 接 触 を 有 す る 電 極 ２ ４ 、 ３ ２ を 設 け る 必 要 は な く 、 容 量 結 合 を し た 電 極 で よ い 。 光 電 変 換 素 子 １ ０ 、 ３ ０ の 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ と 結 晶 半 導 体 １ ２ と の 間 に 電 荷 （ 実 態 は 電 圧 で あ る こ と が 多 い ） を 予 め 与 え て お き 、 規 定 時 間 後 に 、 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ と 結 晶 半 導 体 １ ２ と の 間 の 電 圧 の 変 化 を 読 み 出 す こ と に よ り 、 光 起 電 流 で 放 電 さ れ 、 又 は 、 充 電 さ れ た 蓄 積 電 荷 変 化 を 知 る こ と が で き る 。
【 ０ ０ ５ ０ 】
第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ が 不 透 明 の 場 合 で あ っ て 、 第 １ 表 面 １ ４ 側 か ら 光 ２ ６ を 入 射 さ せ る 場 合 、 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ は 、 結 晶 半 導 体 １ ２ の 少 数 キ ャ リ ア 拡 散 長 よ り 小 さ い 間 隔 で 複 数 配 置 さ れ る こ と が 望 ま し い 。 こ の 配 置 に よ り 、 光 ２ ６ で 結 晶 半 導 体 １ ２ 内 に 発 生 し た 少 数 キ ャ リ ア が 再 結 合 に よ り 多 く 失 わ れ る 前 に 、 光 電 流 と し て 取 り 出 す こ と が で き る 。 複 数 の 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ は 、 バ ス バ ー な ど と 呼 ば れ る 導 電 薄 膜 （ 又 は 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ ） で 接 続 さ れ る 。
【 ０ ０ ５ １ 】
第 ２ 表 面 ２ ２ か ら 光 ２ ６ を 入 射 さ せ る 場 合 で あ っ て 、 第 ２ 表 面 ２ ２ に 電 極 ３ ２ を 設 け る 場 合 、 電 極 ３ ２ を 、 光 ２ ６ を 入 射 す る た め の 間 隙 を 置 い て 複 数 設 け る 。 間 隙 は 、 大 き い 方 が 光 ２ ６ の 導 入 の た め に は 良 い が 、 結 晶 半 導 体 １ ２ の 横 方 向 抵 抗 が 取 り 出 す 光 電 流 に よ る 大 き な 電 圧 降 下 を 生 じ な い た め に 限 界 が あ る 。 結 晶 半 導 体 １ ２ の 抵 抗 率 、 厚 さ Ｈ に よ り 変 わ る が 、 効 率 よ く 電 力 を 引 き 出 す た め に は 、 お お よ そ 数 ｍ ｍ の オ ー ダ ー の 間 隔 が 限 界 で あ る 。 複 数 の 電 極 ３ ２ は 、 一 か 所 で 接 続 す る こ と が で き る 。 第 ２ 表 面 ２ ２ か ら 光 ２ ６ を 入 射 さ せ る 場 合 、 結 晶 半 導 体 １ ２ の 厚 さ Ｈ を 少 数 キ ャ リ ア の 拡 散 長 よ り 小 さ く し 、 第 ２ 表 面 ２ ２ と 対 向 す る 第 １ 表 面 １ ４ 側 で の 光 ２ ６ の 反 射 率 を 大 き く す る と 、 高 効 率 が 得 ら れ る 。 こ の た め に は 、 例 え ば 、 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ を 反 射 率 の 高 い 金 属 で 構 成 し 、 ギ ャ ッ プ を 設 け ず に 連 続 し て 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 １ ６ の 表 面 １ ８ に 接 着 す る 。
【 ０ ０ ５ ２ 】
第 ２ 表 面 ２ ２ か ら 光 ２ ６ を 入 射 さ せ る 場 合 に は 、 複 数 の 電 極 ３ ２ の 間 の 第 ２ 表 面 ２ ２ に 少 数 キ ャ リ ア の 再 結 合 を 少 な く す る た め の パ ッ シ ベ ー シ ョ ン （ p a s s iv a t i o n ） 膜 ３ ４ を 設 け る こ と に よ り 、 変 換 効 率 を 改 善 す る こ と が で き る 。 さ ら に 、 パ ッ シ ベ ー シ ョ ン 膜 ３ ４ に 接 し て 反 射 防 止 膜 を 設 け る こ と が で き る 。 パ ッ シ ベ ー シ ョ ン 膜 ３ ４ と 反 射 防 止 膜 と は 、 一 つ で 兼 用 す る 材 料 を 選 ぶ こ と が で き る （ た と え は 結 晶 半 導 体 １ ２ が ｎ 形 シ リ コ ン で あ る 場 合 、 シ リ コ ン 窒 化 膜 な ど ） 。
【 ０ ０ ５ ３ 】
＜ 第 ３ 実 施 形 態 ＞
図 ４ は 、 第 ３ 実 施 形 態 の 光 電 変 換 素 子 ４ ０ の 断 面 図 で あ る 。 第 １ 実 施 形 態 の 光 電 変 換 素 子 １ ０ と 同 一 の 構 成 要 素 に は 、 同 一 の 参 照 符 号 を 付 し 、 そ の 説 明 を 省 略 す る 。
【 ０ ０ ５ ４ 】
第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 １ ６ の 表 面 １ ８ に は 、 第 １ 電 荷 保 持 層 ４ ２ が 接 し て 設 け ら れ る 。 ま た 、 第 １ 電 荷 保 持 層 ４ ２ の 表 面 ４ ４ に は 、 複 数 の 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ が 接 し て 設 け ら れ る 。 光 電 変 換 素 子 ４ ０ に は 、 第 １ 表 面 １ ４ 側 か ら 光 ２ ６ が 入 射 さ れ る 。
【 ０ ０ ５ ５ 】
10
20
30
40
50 の 第 １ 表 面 １ ４ に 対 向 し て 設 け ら れ て い る 。
【 ０ ０ ５ ６ 】
ま た 、 第 ２ 低 抵 抗 膜 は 、 本 発 明 で は 一 般 的 に 「 前 記 第 ２ 低 抵 抗 膜 は 、 前 記 結 晶 半 導 体 の 第 ２ 表 面 又 は 第 １ 表 面 に 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 を 介 し て 設 け ら れ る 」 と 記 述 す る 。 本 発 明 で は 、 図 ８ の 光 電 変 換 素 子 ７ ０ の よ う に 、 第 ２ 低 抵 抗 膜 ７ ６ は 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 ７ ２ に 接 し て 設 け ら れ て い る 場 合 も あ る が 、 図 １ １ 、 図 １ ３ 又 は 図 １ ４ の 光 電 変 換 素 子 ８ ０ 、 １ ０ ０ 又 は １ １ ０ の よ う に 、 第 ２ 低 抵 抗 膜 ７ ６ は 、 第 ２ 電 荷 保 持 層 ８ ２ 又 は １ １ ６ に 接 し て い る が 、 結 晶 半 導 体 １ ２ の 第 ２ 表 面 ２ ２ 又 は 第 １ 表 面 １ ４ に 接 し た 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 ７ ２ 又 は １ １ ４ を 介 し て 、 結 晶 半 導 体 １ ２ の 第 ２ 表 面 ２ ２ 又 は 第 １ 表 面 １ ４ に 対 向 し て 設 け ら れ る 場 合 も あ る 。
【 ０ ０ ５ ７ 】
図 ５ は 、 光 電 変 換 素 子 ４ ０ の 出 力 特 性 を 示 す 。 こ の 場 合 、 結 晶 半 導 体 １ ２ 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 １ ６ 及 び 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ は 、 光 電 変 換 素 子 １ ０ と 同 じ 構 成 で あ り 、 第 １ 電 荷 保 持 層 ４ ２ は 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 窒 化 シ リ コ ン 膜 ： 厚 さ ６ ． ３ ｎ ｍ 、 製 膜 温 度 約 １ ０ ０ ℃ 、 価 電 子 制 御 不 純 物 の 添 加 無 し で 製 膜 し た も の で あ る 。
【 ０ ０ ５ ８ 】
図 ５ は 、 図 ２ の 場 合 と 同 様 に 、 マ イ ク ロ プ ロ ー ブ 装 置 の 照 明 に 使 用 さ れ て い る 白 色 発 光 ダ イ オ ー ド 光 が 照 射 さ れ た 時 の 出 力 特 性 の グ ラ フ で あ る 。 第 ４ 象 限 及 び 第 １ 象 限 に 示 さ れ る 光 電 流 は 、 ３ ０ ０ μ ｍ Φ の ア ル ミ ニ ウ ム 電 極 の 外 周 の 少 数 キ ャ リ ア 拡 散 長 の 距 離 で 光 発 生 す る 少 数 キ ャ リ ア （ こ の 場 合 は 電 子 ） の 中 で 、 ア ル ミ ニ ウ ム 膜 の 下 の 空 乏 な い し 反 転 接 合 に 到 達 し た 少 数 キ ャ リ ア と 、 第 １ 電 荷 保 持 層 ４ ２ の 下 の 第 １ 表 面 １ ４ に 誘 起 さ れ た 空 乏 な い し は 反 転 層 で 集 め ら れ た 少 数 キ ャ リ ア の 中 で 、 空 乏 な い し 反 転 層 を 通 っ て ア ル ミ ニ ウ ム 膜 の 下 の 空 乏 な い し 反 転 接 合 に 到 達 し た 少 数 キ ャ リ ア と が 原 因 の 電 流 で あ る 。
【 ０ ０ ５ ９ 】
図 １ に 示 す 光 電 変 換 素 子 １ ０ と 、 図 ４ に 示 す 光 電 変 換 素 子 ４ ０ と の 相 違 点 は 、 第 １ 電 荷 保 持 層 ４ ２ の 有 無 で あ る 。 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ と 結 晶 半 導 体 １ ２ と の 間 の Ｃ Ｖ （ 容 量 − 電 圧 ） 特 性 を 測 定 す る こ と に よ り 、 第 １ 電 荷 保 持 層 ４ ２ に は 、 結 晶 半 導 体 １ ２ の 導 電 形 と 同 符 号 の 電 荷 約 ６ ． ２ × １ ０
− ７
ｃ ｏ ｕ ｌ ／ ｃ ｍ
２
の 正 電 荷 が 保 持 さ れ て い る こ と が 確 認 さ れ た 。 こ の 電 荷 は 、 ｐ 形 １ ０ Ω ｃ ｍ の 結 晶 シ リ コ ン 基 板 の 表 面 に 空 乏 層 を 誘 起 し 、 さ ら に 約 ３ ． ８ × １ ０
１ ２
個 ／ ｃ ｍ
２
の 電 子 を 含 む 反 転 層 を 誘 起 で き る 。 【 ０ ０ ６ ０ 】
従 っ て 、 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ で あ る ア ル ミ ニ ウ ム 膜 の 端 部 か ら 拡 散 長 以 上 離 れ た 結 晶 半 導 体 １ ２ で 発 生 し た 少 数 キ ャ リ ア も 、 ま ず 、 こ の 反 転 層 が 形 成 す る 表 面 誘 起 ｐ ｎ 接 合 で 集 め ら れ 、 反 転 層 を 通 っ て ア ル ミ ニ ウ ム 膜 へ 集 め ら れ る 。 こ の た め 、 光 電 流 が 図 ２ に 示 す 光 電 変 換 素 子 １ ０ の 出 力 特 性 よ り も 大 き い 。 反 転 層 の 抵 抗 を 通 っ て 電 流 が 集 め ら れ る の で 、 直 列 抵 抗 成 分 は 大 き く な っ て い る 。 ま た 、 こ の 直 列 抵 抗 成 分 の 増 加 に は 、 第 １ 電 荷 保 持 層 ４ ２ （ 実 施 形 態 で は 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 窒 化 シ リ コ ン 膜 ） の 抵 抗 成 分 も 含 ま れ て い る 。 【 ０ ０ ６ １ 】
光 電 変 換 素 子 ４ ０ で は 、 第 １ 電 荷 保 持 層 ４ ２ の 電 荷 に よ り 第 １ 表 面 １ ４ に 誘 起 さ れ た 空 乏 な い し 反 転 層 の キ ャ リ ア の 増 加 分 に よ り 、 開 放 電 圧 Ｖ ｏ ｃ が ０ ． ３ ２ Ｖ と 増 加 し て い る 。 こ の 開 放 電 圧 Ｖ ｏ ｃ の 値 は 、 光 電 変 換 素 子 １ ０ の 開 放 電 圧 ０ ． ２ ２ Ｖ よ り ０ ． １ Ｖ 大 き い 。 光 電 流 が 約 １ 桁 大 き い の で 、 約 ６ ０ ｍ Ｖ の 増 加 は 、 電 流 増 加 に よ り 説 明 で き る 。 ４ ０ ｍ Ｖ 分 の 増 加 は 、 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ で あ る ア ル ミ ニ ウ ム 膜 の 下 の 第 １ 電 荷 保 持 層 ４ ２ の 電 荷 の 効 果 で あ る 。 こ の 第 １ 電 荷 保 持 層 ４ ２ の 効 果 は 、 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ の 周 辺 部 分 で 光 発 生 少 数 キ ャ リ ア の 拡 散 長 よ り 、 さ ら に 遠 い 部 分 か ら の 光 発 生 少 数 キ ャ リ ア を 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ へ 輸 送 す る 効 果 （ 取 り 出 せ る 光 電 流 を 大 き く す る 効 果 ） と 開 放 電 圧 を 増 大 さ せ る 効 果 が あ る 。
【 ０ ０ ６ ２ 】
10
20
30
40
50 よ り も 薄 く し た 構 成 を 採 用 す る こ と が で き る 。 こ の 場 合 、 第 １ 電 荷 保 持 層 ４ ２ の 厚 さ の 減
少 に 従 っ て 保 持 さ れ る 電 荷 量 の 減 少 が あ る と 、 第 １ 電 荷 保 持 層 ４ ２ の 開 放 電 圧 増 大 効 果 は 小 さ く な る 。
【 ０ ０ ６ ３ 】
＜ 第 ４ 実 施 形 態 ＞
図 ６ は 、 第 ４ 実 施 形 態 の 光 電 変 換 素 子 ５ ０ の 断 面 図 で あ る 。 第 ３ 実 施 形 態 の 光 電 変 換 素 子 ４ ０ と 同 一 の 構 成 要 素 に は 、 同 一 の 参 照 符 号 を 付 し 、 そ の 説 明 を 省 略 す る 。
【 ０ ０ ６ ４ 】
第 １ 低 抵 抗 膜 ５ ４ は 、 第 １ 電 荷 保 持 層 ４ ２ の 表 面 ４ ４ の 全 面 に 接 し て 設 け ら れ る 。 結 晶 半 導 体 １ ２ の 第 ２ 表 面 ２ ２ に は 、 複 数 の 電 極 ３ ２ が 平 面 配 置 さ れ る 。 複 数 の 電 極 ３ ２ 間 の 第 ２ 表 面 ２ ２ に は 、 光 発 生 少 数 キ ャ リ ア の 再 結 合 損 失 を 少 な く し 、 反 射 を 少 な く し て 効 率 を 良 く す る た め 、 光 電 変 換 さ れ る 波 長 の 光 に 対 す る 反 射 防 止 機 能 を 兼 ね 備 え る パ ッ シ ベ ー シ ョ ン 膜 兼 反 射 防 止 膜 ５ ２ が 設 け ら れ る 。 光 電 変 換 素 子 ５ ０ に は 、 パ ッ シ ベ ー シ ョ ン 膜 兼 反 射 防 止 膜 ５ ２ を 介 し て 、 第 ２ 表 面 ２ ２ 側 か ら 光 ２ ６ を 入 射 さ せ る こ と が で き る 。 従 っ て 、 第 １ 低 抵 抗 膜 ５ ４ は 、 透 明 で あ る 必 要 が な く 、 そ の 材 料 選 択 に 自 由 度 を 与 え る 。 な お 、 パ ッ シ ベ ー シ ョ ン 膜 兼 反 射 防 止 膜 ５ ２ に 代 え て 、 図 ３ に 示 す よ う に 、 パ ッ シ ベ ー シ ョ ン 膜 ３ ４ 及 び 反 射 防 止 膜 （ 図 示 せ ず ） を そ れ ぞ れ 設 け て も よ い 。
【 ０ ０ ６ ５ 】
な お 、 図 ２ 及 び 図 ５ の 出 力 特 性 は 、 結 晶 半 導 体 １ ２ と し て ｐ 形 結 晶 シ リ コ ン 基 板 を 用 い た 場 合 の も の で あ る 。 結 晶 半 導 体 １ ２ が ｎ 形 結 晶 シ リ コ ン 基 板 の 場 合 、 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ と し て は 、 ニ ッ ケ ル 、 白 金 な ど 、 結 晶 シ リ コ ン の 価 電 子 帯 に 近 い か 、 さ ら に そ れ を 超 え て 絶 対 値 の 大 き い 仕 事 関 数 の 値 を 有 す る 材 料 を 使 用 す る 。 ま た 、 結 晶 半 導 体 １ ２ が ｎ 形 結 晶 シ リ コ ン 基 板 の 場 合 の 第 １ 電 荷 保 持 層 ４ ２ と し て は 、 膜 中 又 は 界 面 に 負 電 荷 を 有 す る 膜 、 例 え ば 、 低 温 Ａ Ｌ Ｄ （ a t o mic la y e r d e p o s it io n ） で 製 膜 し た 数 ｎ ｍ の 酸 化 ア ル ミ ニ ウ ム な ど が 使 用 で き る 。
【 ０ ０ ６ ６ 】
第 ３ 実 施 形 態 、 第 ４ 実 施 形 態 に 係 る 発 明 で は 、 第 １ 電 荷 保 持 層 ４ ２ 及 び 後 述 の 第 ２ 電 荷 保 持 層 ８ ２ （ 図 １ ０ 、 図 １ １ ） を 含 む 電 荷 保 持 層 は 、 そ の 中 、 又 は 、 前 記 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と の 界 面 に 電 荷 を 保 持 す る 層 で あ る 。 光 電 変 換 素 子 ４ ０ 、 ５ ０ を 使 用 す る 状 態 で の 電 流 を 流 す こ と が で き る 程 度 の 厚 さ 、 材 料 か ら 構 成 さ れ る と き は 、 電 荷 保 持 層 に 接 し て 前 記 低 抵 抗 膜 を 設 け る こ と が で き る 。 電 荷 保 持 層 と し て 利 用 で き る 材 料 に は 、 例 え ば 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 窒 化 シ リ コ ン 、 低 温 成 長 ア ル ミ ナ な ど が あ る 。
【 ０ ０ ６ ７ 】
電 荷 保 持 層 の 電 気 抵 抗 が 高 い 場 合 は 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 に 電 荷 保 持 層 が 接 し て い な い 部 分 を 設 け 、 低 抵 抗 膜 は 、 前 記 部 分 へ 接 し 、 電 荷 保 持 層 と 並 置 し て 設 け る 。 低 抵 抗 膜 は 、 複 数 設 け て 、 そ の 間 隙 か ら 光 ２ ６ を 入 射 さ せ る こ と が で き る 。 こ の 場 合 、 前 記 低 抵 抗 膜 の 間 隙 に は 、 電 荷 保 持 層 を 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 に 接 し て 設 け る 。 電 荷 保 持 層 が 第 １ 電 荷 保 持 層 ４ ２ の 場 合 、 結 晶 半 導 体 １ ２ の 第 １ 表 面 １ ４ に 空 乏 層 （ d e p le t i o n la y e r ） 又 は 反 転 層 （ in v e r s i o n la y e r ） を 誘 起 さ せ 、 光 ２ ６ で 発 生 し た 少 数 キ ャ リ ア の 収 集 効 率 を 改 善 す る こ と が で き る 。
【 ０ ０ ６ ８ 】
前 記 電 荷 保 持 層 が 後 述 の 第 ２ 電 荷 保 持 層 の 場 合 は 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 １ 表 面 又 は 後 述 の 第 ２ 表 面 に 蓄 積 層 （ a c c u mu la t io n la y e r ） を 誘 起 し て 、 後 述 の 第 ２ 低 抵 抗 膜 が 当 該 第 ２ 電 荷 保 持 層 に 接 触 し て い る 場 合 は 、 当 該 第 ２ 低 抵 抗 膜 と 結 晶 半 導 体 領 域 と の オ ー ム 性 接 続 を 促 進 す る 。 前 記 電 荷 保 持 層 が 後 述 の 第 ２ 電 荷 保 持 層 の 場 合 は 、 後 述 の 第 ２ 低 抵 抗 層 が 当 該 第 ２ 電 荷 保 持 層 に 接 触 し て い る 平 面 配 置 で も 、 接 触 し な い 平 面 配 置 で も 、 前 記 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 １ 表 面 又 は 後 述 の 第 ２ 表 面 に 光 誘 起 さ れ た 少 数 キ ャ リ ア を 追 い 返 す 電 界 を 形 成 し て 、 光 誘 起 さ れ た 少 数 キ ャ リ ア の 表 面 再 結 合 を 少 な く す る 働 き を 促 す 。
【 ０ ０ ６ ９ 】
10
20
30
40
50 下 の 結 晶 半 導 体 １ ２ の 第 １ 表 面 １ ４ に 空 乏 層 （ d e p l e t io n la y e r ） 又 は 反 転 層 （ in v e r s i o n
la y e r ） が 誘 起 さ れ る 必 要 が あ る 。 電 荷 保 持 層 の 中 、 第 １ 電 荷 保 持 層 ４ ２ は 、 第 １ 表 面 １ ４ の 空 乏 （ d e p l e t io n ） 、 反 転 （ in v e r s i o n ） を 助 け る 機 能 を 有 す る 。 従 っ て 、 第 １ 電 荷 保 持 層 ４ ２ に 保 持 さ れ る 電 荷 は 、 結 晶 半 導 体 １ ２ が ｐ 形 の 場 合 は 正 、 ｎ 形 の 場 合 は 負 の 符 号 を 有 す る こ と が 望 ま し い 。 本 実 施 形 態 で は 、 こ れ を 「 結 晶 半 導 体 １ ２ の 導 電 形 と 同 符 号 の 電 荷 」 と 記 述 す る 。 ま た 、 後 述 の 第 ２ 電 荷 保 持 層 ８ ２ 、 ９ ２ 、 １ １ ６ に 保 持 さ れ る 電 荷 は 、 結 晶 半 導 体 １ ２ が ｐ 形 の 場 合 は 負 、 ｎ 形 の 場 合 は 正 の 符 号 を 有 す る 場 合 、 本 発 明 で は 、 「 結 晶 半 導 体 １ ２ の 導 電 形 と 逆 符 号 の 電 荷 」 と 記 述 す る 。
【 ０ ０ ７ ０ 】
第 １ 電 荷 保 持 層 ４ ２ に 保 持 さ れ る 電 荷 は 、 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ 、 ５ ４ の 働 き 、 す な わ ち 、 第 １ 表 面 １ ４ の 空 乏 、 反 転 を 助 け る 機 能 を 有 す る か ら 、 電 荷 保 持 層 を 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 低 抵 抗 膜 と の 間 に 設 け た 場 合 は 、 低 抵 抗 膜 の 仕 事 関 数 に 対 す る 要 求 は 緩 和 さ れ る 。 公 知 の 透 明 導 電 膜 を 低 抵 抗 膜 と し て 使 う こ と も で き る 。
【 ０ ０ ７ １ 】
＜ 第 ５ 実 施 形 態 ＞
図 ７ は 、 第 ５ 実 施 形 態 の 光 電 変 換 素 子 ６ ０ の 断 面 図 で あ る 。 第 ３ 実 施 形 態 の 光 電 変 換 素 子 ４ ０ と 同 一 の 構 成 要 素 に は 、 同 一 の 参 照 符 号 を 付 し 、 そ の 説 明 を 省 略 す る 。
【 ０ ０ ７ ２ 】
光 電 変 換 素 子 ６ ０ は 、 光 電 変 換 素 子 ４ ０ に お け る 第 １ 電 荷 保 持 層 ４ ２ の 高 抵 抗 を 避 け 、 且 つ 、 光 発 生 キ ャ リ ア を 収 集 す る 機 能 を 主 と し て 活 用 す る 配 置 例 で あ る 。 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 １ ６ の 表 面 １ ８ に は 、 複 数 の 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ が 設 け ら れ る 。 ま た 、 複 数 の 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ 間 の 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 １ ６ の 表 面 １ ８ に は 、 複 数 の 第 １ 電 荷 保 持 層 ６ ２ が 複 数 の 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ と 並 置 し て 設 け ら れ る 。 光 電 変 換 素 子 ６ ０ に は 、 第 １ 表 面 １ ４ 側 か ら 光 ２ ６ が 入 射 さ れ る 。
【 ０ ０ ７ ３ 】
こ の よ う に 構 成 す る こ と に よ り 、 結 晶 半 導 体 １ ２ の 第 １ 表 面 １ ４ に 光 ２ ６ を 効 率 的 に 導 入 す る こ と が で き 、 ま た 、 第 １ 電 荷 保 持 層 ６ ２ の 抵 抗 が 大 き く て も 電 流 を 効 率 的 に 引 き 出 す こ と が で き る 。 第 １ 電 荷 保 持 層 ６ ２ の 電 荷 に よ り 、 第 １ 表 面 １ ４ に 誘 起 さ れ た 空 乏 層 又 は 反 転 層 か ら な る 表 面 接 合 に よ る 光 電 変 換 を 行 う こ と に よ り 、 第 １ 電 荷 保 持 層 ６ ２ と し て ワ イ ド ギ ャ ッ プ 材 料 を 選 択 し て 、 短 波 長 感 度 の 良 好 な 光 電 変 換 素 子 ６ ０ を 提 供 す る こ と が で き る 。 な お 、 第 １ 電 荷 保 持 層 ６ ２ は 、 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ に 少 な く と も そ の 平 面 形 状 端 部 で 近 接 し て い る こ と が 望 ま し い 。
【 ０ ０ ７ ４ 】
前 記 光 電 変 換 素 子 １ ０ 、 ４ ０ 、 ６ ０ の よ う に 公 知 の オ ー ミ ッ ク 接 触 を 有 す る 電 極 ２ ４ 、 ま た は 、 前 記 光 電 変 換 素 子 ３ ０ 、 ５ ０ の よ う に 公 知 の オ ー ミ ッ ク 接 触 を 有 す る 電 極 ３ ２ を 結 晶 半 導 体 １ ２ に 設 け る こ と に よ り 、 光 電 変 換 素 子 １ ０ 、 ３ ０ 、 ４ ０ 、 ５ ０ 、 ６ ０ か ら 直 流 電 圧 、 直 流 電 流 を 取 り 出 す こ と が で き る （ 交 流 電 圧 、 交 流 電 流 の 場 合 は 必 ず し も オ ー ミ ッ ク 接 触 は 必 要 な い ） が 、 以 下 の 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 を 介 し て 前 記 結 晶 半 導 体 表 面 に 第 ２ 低 抵 抗 膜 を 設 け る 構 成 を 加 え る こ と に よ り 、 従 来 の い わ ゆ る オ ー ミ ッ ク 接 触 を 有 す る 電 極 が な く て も 、 光 電 変 換 素 子 か ら 電 圧 、 電 流 、 電 荷 変 化 分 を 取 り 出 す こ と が で き る 。
【 ０ ０ ７ ５ 】
従 来 の い わ ゆ る オ ー ミ ッ ク 接 触 と 、 本 発 明 の 前 記 結 晶 半 導 体 領 域 上 に 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 を 介 し て 設 け た 第 ２ 低 抵 抗 膜 と の 違 い は 、 従 来 の い わ ゆ る オ ー ミ ッ ク 接 触 が 、 多 数 キ ャ リ ア に 対 し て も 、 少 数 キ ャ リ ア に 対 し て も 、 線 形 性 を 以 っ て 導 通 さ せ た の に 対 し て 、 本 実 施 形 態 に 係 る 発 明 の 第 ２ 低 抵 抗 膜 と 前 記 結 晶 半 導 体 領 域 と の 間 は 、 前 記 結 晶 半 導 体 中 の 多 数 キ ャ リ ア は 導 通 す る が 、 少 数 キ ャ リ ア の 導 通 は 多 数 キ ャ リ ア に 比 べ て 少 な い 。 い わ ば 、 主 と し て 多 数 キ ャ リ ア に 対 し て 選 択 的 に オ ー ミ ッ ク 接 合 を 形 成 し て い る 。 本 実 施 形 態 に 係 る 発 明 で は 、 こ れ を 「 多 数 キ ャ リ ア オ ー ミ ッ ク 接 合 」 と 呼 ぶ 。
10
20
30
40
50 ＜ 第 ６ 実 施 形 態 ＞
図 ８ は 、 第 ６ 実 施 形 態 の 光 電 変 換 素 子 ７ ０ の 断 面 図 で あ る 。 第 １ 実 施 形 態 の 光 電 変 換 素 子 １ ０ と 同 一 の 構 成 要 素 に は 、 同 一 の 参 照 符 号 を 付 し 、 そ の 説 明 を 省 略 す る 。
【 ０ ０ ７ ７ 】
結 晶 半 導 体 １ ２ の 第 ２ 表 面 ２ ２ に は 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 ７ ２ の 一 方 の 表 面 が 接 し て 設 け ら れ る 。 ま た 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 ７ ２ の 他 方 の 表 面 ７ ４ に は 、 複 数 の 第 ２ 低 抵 抗 膜 ７ ６ が 接 し て 設 け ら れ る 。 複 数 の 第 ２ 低 抵 抗 膜 ７ ６ の 間 に は 、 光 ２ ６ を 第 ２ 表 面 ２ ２ 側 か ら も 導 入 で き る 間 隙 ７ ８ が 形 成 さ れ る 。 な お 、 複 数 の 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ 間 の 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 １ ６ の 表 面 １ ８ に は 、 第 ５ 実 施 形 態 の 光 電 変 換 素 子 ６ ０ と 同 様 に 、 複 数 の 第 １ 電 荷 保 持 層 ６ ２ を 並 置 し て 設 け て も よ い 。
【 ０ ０ ７ ８ 】
第 ２ 低 抵 抗 膜 ７ ６ に 対 し て 、 結 晶 半 導 体 １ ２ に オ ー ミ ッ ク 接 触 を 有 す る 電 極 の 代 わ り の 機 能 を 持 た せ る 場 合 、 第 ２ 低 抵 抗 膜 ７ ６ は 、 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ の 場 合 と 逆 に 、 結 晶 半 導 体 １ ２ の mid - g a p の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル よ り も 、 結 晶 半 導 体 １ ２ の フ ェ ル ミ レ ベ ル 側 に 仕 事 関 数 の 値 を 有 す る 材 料 を 選 択 す る 。 結 晶 半 導 体 １ ２ が ｐ 形 の 場 合 は 、 そ の 価 電 子 帯 に 近 い か 、 さ ら に そ れ を 超 え て 絶 対 値 の 大 き い 仕 事 関 数 の 値 を 有 す る 材 料 を 選 択 す る と 効 果 が あ る 。 例 え ば 、 結 晶 半 導 体 １ ２ が ｐ 形 結 晶 シ リ コ ン 基 板 で あ る 場 合 、 第 ２ 低 抵 抗 膜 ７ ６ の 材 料 と し て 、 ニ ッ ケ ル 、 白 金 な ど が 挙 げ ら れ る 。 結 晶 半 導 体 １ ２ が ｎ 形 の 場 合 は 、 そ の 伝 導 帯 に 近 い か 、 さ ら に そ れ を 超 え て 絶 対 値 の 小 さ い 仕 事 関 数 の 値 を 有 す る 材 料 を 選 択 す る と 効 果 が あ る 。 た と え ば 、 マ グ ネ シ ウ ウ ム 、 n 形 酸 化 亜 鉛 、 ア ル ミ ニ ウ ム な ど が 挙 げ ら れ る 。 【 ０ ０ ７ ９ 】
な お 、 図 ９ に 示 す 光 電 変 換 素 子 ７ ０ ａ の よ う に 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 １ ６ の 表 面 １ ８ と 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 ７ ２ の 表 面 ７ ４ と に は 、 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ 及 び 第 ２ 低 抵 抗 膜 ７ ６ が 設 け ら れ る 位 置 の 少 な く と も 一 部 に 対 応 し て 、 膜 厚 の 薄 い 部 分 と な る 凹 部 １ ５ 及 び ７ １ を 形 成 し て も よ い 。 こ の 場 合 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 １ ６ 及 び 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 ７ ２ に は 、 凹 部 １ ５ 及 び ７ １ に よ り 膜 厚 の 薄 い 部 分 と 厚 い 部 分 と が 形 成 さ れ る こ と に な る 。 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ 及 び 第 ２ 低 抵 抗 膜 ７ ６ を 凹 部 １ ５ 及 び ７ １ に 対 応 し て 設 け る こ と に よ り 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 １ ６ 及 び 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 ７ ２ の 抵 抗 を 小 さ く し て 、 電 流 を 効 率 的 に 引 き 出 す こ と が で き る 。
【 ０ ０ ８ ０ 】
ま た 、 光 ２ ６ が 入 射 さ れ る 側 に 設 け ら れ る 第 １ 低 抵 抗 膜 ２ ０ 又 は 第 ２ 低 抵 抗 膜 ７ ６ は 、 こ れ ら が 金 属 で あ っ て も 、 光 電 変 換 さ れ る 波 長 の 光 ２ ６ を 透 過 す る 材 料 又 は 膜 厚 、 例 え ば 、 膜 厚 １ ０ ｎ ｍ 以 下 と す る こ と に よ り 、 光 ２ ６ を 結 晶 半 導 体 １ ２ に 導 入 す る こ と が で き る 。
【 ０ ０ ８ １ 】
第 ６ 実 施 形 態 に 係 る 発 明 で は 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 ７ ２ は 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 １ ６ と 膜 厚 、 材 料 が 同 じ で も 、 異 な っ て い て も 良 い 。 第 ２ 低 抵 抗 膜 ７ ６ に オ ー ミ ッ ク 接 触 電 極 の 代 わ り の 役 割 を 与 え る な ら ば 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 ７ ２ の 膜 厚 は 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 １ ６ よ り 薄 い 方 が よ い 。
【 ０ ０ ８ ２ 】
